《太阳能热利用原理与技术》翁史烈总主编；代彦军，葛天舒编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《太阳能热利用原理与技术》

【作　者】翁史烈总主编；代彦军，葛天舒编著

【丛书名】能源与环境出版工程（第二期）

【页 数】 382

【出版社】 上海：上海交通大学出版社 , 2018.12

【ISBN号】978-7-313-18631-7

【价 格】178.00

【分 类】太阳能热利用

【参考文献】 翁史烈总主编；代彦军，葛天舒编著. 太阳能热利用原理与技术. 上海：上海交通大学出版社, 2018.12.

图书封面：

图书目录：

《太阳能热利用原理与技术》内容提要：

代彦军、葛天舒编著的《太阳能热利用原理与技术（精）》内容主要涉及三大部分：一是太阳能热利用基础，重点介绍与太阳能热利用相关的太阳辐射、热力学和传热学知识；二是太阳能转变为热能的核心部件-集热器，包括热水器、空气集热器和用于中高温过程的聚焦集热器；三是太阳能热利用系统及利用方法，包括热水系统、采暖系统、空调系统、工农业供热系统、热发电等，并结合应用案例进行解析。本书旨在使读者能够掌握太阳能热利用原理和可行的方法、装置，并运用相关知识进行初步太阳能热利用系统设计。本书可作为太阳能工程专业本科生、研究生的教材，也可供相关专业的研究人员参考。

《太阳能热利用原理与技术》内容试读

第1章绪论

人类的生存和经济社会的发展都离不开能源的使用，自20世纪石油危机爆发以来，传统能源的保有量不断减少，面临枯竭。同时随着社会发展越来越快，能源的消耗量也越来越大，化石燃料的大量燃烧使得生态环境恶化，地球逐渐变暖，污

染越来越严重。根据国际能源协会(EA)的预测，按照人类目前的发展方式，

到2030年全球能源消耗将增加50%（见图1.1）；同时，温室气体的排放也将明显增加，进而产生无法逆转的全球气温升高，并由此催生一系列的环境问题

能源消耗/十亿吨石油当量

能源消耗/十亿吨石油当量

18

18

16

16

14

14

■可再生能源

12

12

■水电

10

10

■核电

8

非经合组织国家

■煤炭

6

6

■天然气

4

经合组织国家

2

■石油

0

年份0

年份

19902000

20102020203019902000201020202030图1,1全球主要的国家和区域能源消耗及预测

2014年中国能耗较上一年增长2.6%，总量达到42.6亿吨标准煤，仍然是世界上最大的能源消费国，占当年世界能源消费量的23%和世界能源消耗净增长的61%。2014年，常规能源中，天然气消耗增长最快，年增长率达到8.6%，石油增加

3.3%,煤炭只增加0.1%；其他能源中，水力发电增长最快，年增长率达到15.7%，约占我国发电总量的19%；我国的能源结构在持续改进，煤炭虽然还是主要能源，

但是其占比降到了历史最低的66%

常规能源的不断枯竭，导致了全球环境的恶化，因此可再生能源的发展已经成为全球的共同趋势。各个国家和地区都通过一系列刺激政策来鼓励发展可再生能

001

太阳能热利用原理与技术

源。到2015年初，已有至少164个国家设定了发展可再生能源的目标，约145个国家颁布实施了相关刺激政策。至少有24个发展中国家通过了可再生能源供热（和冷却）的目标，至少有19个国家在国家或州/省一级通过建筑法规和其他措施，推广可再生能源供热和制冷，并提供财政激励措施来支持幻。

2009年中国在哥本哈根气候变化会议前夕，宣布了“中国到2020年单位GDP

二氧化碳排放强度减少40%~45%”的量化目标。2015年，我国可再生能源全年增长20.9%，在全球可再生能源总量中的份额提升到17%。可再生能源中，太阳能增长最快，年增长率达到69.7%，同时超越德国和美国，成为世界上最大的太阳

能发电国。CO2排放降低了0.1%，这是我国自1998年以来首次负增长

2013年全球范围内，可再生能源首次超过煤炭，成为全球最大新增电能来源（见图1.2）。国际可再生能源署数据显示，2014年全球新增的发电装机总量，其62%来自可再生能源。近年来，我国可再生能源利用取得飞跃式发展，光伏、风电、水电装机容量均稳居世界第一，成长为节能和利用可再生能源第一大国，不仅为我国节能减排、经济增长做出了突出贡献，也对全球能源变革产生了重大影响。国际能源署报告显示，2015年，中国的可再生能源增量占全球可再生能源增量的40%6]。

化石燃料

78.3%

现代可再生

水电

能源10.1%

3.9%

可再生

能源19.1%

1.3%0.8%

传统生物

风能/生物烟

质能9%

太阳能

生物质

核能2.6%

地热

图1.22013年全球可再生能源在总能耗中的比例

1.1可再生能源与太阳能

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，且资源分布广泛，适宜就地开发利用。根据《中华人民共和国可再生能源法》，可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源」

太阳能(solar energy),一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能

002

第1章绪论

源，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、生物质能、潮汐能、水的势能等（见图1.3）。

太阳辐射

173000

短波的直接反射

52000

直接转换为热能

长波辐射

121000

81000

40000

风、波浪

370

蒸发降雨

光合作用

40000-

40

→衰变

化石燃料

潮汐

传导

3

地热

亮

火山03

图1.3入射到地球的太阳能（单位：10°MW)

地球截取的太阳辐射能通量为1.7×104kW,比核能、地热和引力能储量的总和还要大5000多倍。其中约30%被反射回宇宙空间；约47%转变为热，以长波辐射形式再次返回空间；约23%是蒸发、凝结的能量，风和波浪的动能；植物通过光合作用吸收的能量不到太阳能的0.5%。地球每年接收的太阳能总量为1×1018kW·h,相当于5×10“桶原油，是已探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。

太阳的能量如此巨大，正如通常所说的“取之不尽、用之不竭”，但是太阳辐射能的通量密度较低，大气层外为1353W/m。太阳光通过大气层时会进一步衰减，同时还受到天气、昼夜以及空气污染等因素的影响。因而，太阳能又呈间歇性质，时高时低、时有时无。能通量密度低要求太阳能利用装置有较大的集热面积；为了克服太阳能供热的间歇性，系统中必须有储热以及辅助加热装置，这些使太阳能利用系统的初期投资变得昂贵。由于生活和部分工业用能只要求供应低温热水，采用太阳能很容易做到热能能级的合理匹配，从而取得最佳效益。综上所述，太阳能利用具有以下明显的特点：

(1)总能量很大，但能通量密度较低。

(2)可再生能源，但具有间歇性。

(3)无污染的清洁能源。

(4)太阳能本身是免费的，但太阳能利用系统的初期投资较高。

003

太阳能热利用原理与技术

(5)太阳能热利用较容易实现热能能级的合理匹配，从而做到热尽其用」太阳能利用的基本方式可分为光-热利用、光-电利用、光-化学利用、光一生物利用四类。其中太阳能光一热利用是指将太阳能转换为热能，然后加以利用，如供应热水、热力发电、驱动动力装置、驱动制冷循环、海水淡化、采暖和强化自然通风等。光-电利用是指通过太阳能电池的光伏效应将太阳辐射直接转化为电能加以利用的过程。光-化学利用则包括植物的光合作用、太阳能光解水制氢、热解水制氢以及天然气重整等转换过程。光一生物利用是指通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、地膜覆盖、温室大棚和巨型海藻等」

本书仅涉及太阳能的热利用。着重介绍利用热媒介（水、空气或其他介质）在集热器中将太阳辐射能转化为热能，通过储热装置或转换设备将热能输送到用户的工程技术。为热用户提供多种用途，包括供热水、供暖、制冷、空调、干燥、海水淡化、动力、发电等。

1.2太阳能利用现状和发展

1.2.1太阳能利用历史

据西北大学科技史教授姚远考证：《问经堂丛书》（清代孙星衍、孙冯翼辑，十

八种三十一卷)引《淮南万毕述》载西汉时“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生”。这是我国关于太阳能利用的最早历史记录。据史料记载，在西周时代（公元前11世纪)我们的祖先已经掌握了“阳燧”取火的技术。“阳燧”实际上是一种金属凹面镜，也是一项杰出的发明，在世界科学史上占有重要地位们。

公元前212年，希腊著名科学家阿基米德用许多小的平面镜将阳光聚集起来烧毁了攻击西西里岛西拉修斯港的罗马舰队。1973年希腊科学家伊奥尼斯·萨克斯用实验验证了这种说法

公元1世纪罗马发明了玻璃，这对人类生活和太阳能利用产生了深远影响。认真对太阳进行研究，应该从17世纪意大利著名科学家伽利略算起。18世纪初发明了太阳能驱动的发动机。20世纪初曾经建立太阳能蒸馏水厂，埃及成功地运行了灌溉用的太阳能水泵。1920一1930年，美国加州地区开始用太阳能集热器为用户供应热水。类似的装置也可用于房屋取暖，1938年美国麻省理工学院建成了第一座利用太阳能采暖的建筑。自这以后到1960年，全世界共建成20座试验性建筑，由它们得到的实测数据，为今天的太阳房设计奠定了良好基础。1970年以后，第三次石油危机的爆发，使得人们更加重视太阳能资源的开发利用，太阳能热水、太阳能采

004

第1章绪论

暖、制冷和太阳能热泵技术得到迅速普及推广。1980年后，从美国加利福尼亚州开始，世界范围内兴建大量的地面太阳能光热电厂。目前，在美国、北非、印度、南非等国家和地区，塔式、槽式、菲涅尔式太阳能热发电站得到规模化发展。

1.2.2近年来太阳能利用的发展

我国能源总量相当丰富，水力资源理论储量居世界第一、煤炭储量居世界第

三、石油储量居第八、天然气储量为第十六位，还有许多资源尚待进一步探明。但我国是13亿人口的大国，人均资源相当不足，尽管国家把发展能源放在优先地位，由于耗资巨大，基础较差，我国能源供应的紧张状态将会延续相当长的时间。只有充分认识这一点，才会更加珍惜和有效地利用常规能源。也正是由于这一点，近几年我国新能源的开发利用取得较大进展。

太阳能集热器是太阳能热利用中最基本的部件，技术成熟，应用范围相当宽广。据统计，中国太阳能集热器及系统产量达4350万平方米，“十二五”时期末，中

国太阳能热利用总保有量达到4.42亿平方米(309GW:①)。

太阳能热利用分为低温(40~80℃)、中温(80一250℃)和高温(>250℃)三类]，分别应用于生活用热、工业用热和太阳能热发电。

太阳能供热采暖是通过太阳能集热系统，集取、转换太阳辐射为热能，加热水或其他工作介质，向用户提供生活热水以及向建筑物供暖的技术。通常将只具备生活热水供应的单一功能系统，定义为太阳能热水系统，而对同时具有供热水和供暖双重功能的系统，定义为太阳能供热采暖系统

太阳能集热系统的运行方式可分为自然循环和强制循环两类。自然循环太阳能集热系统主要由太阳能集热器、水箱等贮热装置、管路和控制部件组成。强制循环太阳能集热系统则在上述部件的基础上，增加了泵等动力设备。自然循环太阳能集热系统多用于分散式太阳能热水系统，其典型产品是过去占国内市场份额最大的紧凑式（太阳能集热器直接与水箱连接）太阳能热水器。强制循环太阳能集热系统则主要用于建筑一体化的集中式太阳能热水系统和太阳能供热采暖系统。此外，将在太阳能集热器中直接加热生活用水的系统定义为直接式集热系统，将在太阳能集热器中加热某种工质的系统则定义为间接式集热系统。间接式集热系统中需增设换热设备，通常在寒冷和严寒地区使用的太阳能热水系统，以及太阳能供热采暖系统，需采用间接式太阳能集热系统。

太阳能应用于制冷技术领域有其独特的优点，一方面利用太阳能驱动制冷可以节约电能的消耗，间接减少了化石能源的消耗；另一方面，太阳能驱动的制冷系

①GWh,千兆瓦热，1GWh=103MWh,可用来度量太阳能热的装设面积，1GW山相当于1.429×105m2。

005

太阳能热利用原理与技术

统一般采用非氟烃类物质作为制冷剂，对臭氧层无破坏也不会引起温室效应，同时可减少消耗化石能源发电带来的环境污染。太阳能光一热转换制冷就是利用相应的设备首先将太阳光转换成热能，再利用热能作为外界的补偿，使系统达到制冷的目的，即以热能来制冷。太阳能光热转换制冷系统主要分为以下几种类型：太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统、太阳能除湿空调系统

被动式太阳房是通过合理的建筑设计，使建筑物本身具有集热器、储热器和散热器的综合特性，从而部分满足冬暖夏凉的要求。北京地区典型实测数据表明，没有辅助热源情况下，采暖季太阳房室内平均温度为9~12℃，夏季比普通房屋降温1℃多，节能率60%以上，投资成本比普通建筑增加15%一25%。

太阳能热利用技术在我国的主要应用集中在低温民用和高温热发电。据统计，2015年中国太阳能热水器年产量达4500万平方米，总集热面积保有量已超过4亿平方米，占据当年70%的世界太阳能集热器市场份额。同时我国还是太阳能热水器市场就业人数最多的国家，提供了74.3万个工作岗位。

太阳能热利用技术在我国工业领域的应用开始于2010年，并逐渐在纺织等工业领域应用实施。技术层面上，适合于工业热利用的中温集热器发展迅速，

有减反层双层透明盖板的平板型集热器(FP℃)、全玻璃或玻璃-金属真空管集热

器(ETC)、固定复合抛物面集热器(CPC)、小型抛物面槽式集热器(PTC)与线聚焦

菲涅尔集热器9)。2015年，我国太阳能中温技术取得进一步的发展。以国家“十

二五”科技支撑计划“太阳能中温技术与工业应用”项目为例，太阳能中温技术在工业热能替代、农副产品干燥等方面取得长足进步。在工业热能应用中，推广基于

CP℃中温集热器超过3万平方米。中温槽式集热器与燃气耦合的热能供暖技术在

辽宁、天津、山东等地迅速推广，应用项目200余个；采用中温集热技术的太阳能空气集热器在农副产品、水果、木材干燥中广为应用，推广集热器面积超过4万平方米。太阳能中温技术在太阳能厨房领域形成产品规模化应用，中温集热管大量出口欧洲国家，等效集热面积超过3万平方米。

此外，太阳能蒸汽系统可用于蒸制米饭和馒头（北京），太阳能中温技术还应用于规模化木材干燥（山东临沂）、污泥干燥（山东德州）、枸杞烘干（宁夏）、烟叶初烤（云南）、工业物料干燥（浙江台州）、香料干燥（海南）等。太阳能的应用领域得到了拓展，应用效益日益体现

国外对太阳能热利用技术在工业领域应用的研究始于20世纪七八十年代。国

际能源署在1976年先后启动了太阳能供热与制冷计划(IEA-SHC),在1977年启

动了以美国、俄罗斯、德国、以色列、澳大利亚、瑞士、西班牙七国作为执行委员会的太阳能热动力和太阳能化学能系统计划(Solar PACES Program),对太阳能的技术现状以及其应用于工业热过程的现状与前景进行了研究。目前国际能源署

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···试读结束···